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EMC/EMI/ESD设计

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从元器件选型到EMC测试要点,教您如何设计保护电路?

导读: 在通信、消费、军工、航空航天等领域,ESD往往是引起电路失效的罪魁祸首,而过流过压保护器件选择、传导辐射电磁干扰消除、EMC测试环境等问题成为工程师在设计时的难点,这些问题该怎么解决呢?

随着电子产品集成度、处理器速度、开关速率和接口速率的不断提升,电子产品ESD/EMI/EMC问题日益突出,尤其是当手持电子设备向轻薄小巧方向发展而且产品功能不断增加时,它们的输入/输出端口也随之增多,导致静电放电进入系统并干扰或损坏集成电路,电路保护是最容易出现问题的部分,也是容易被忽略的问题。

在通信、消费、军工、航空航天等领域,ESD往往是引起电路失效的罪魁祸首,而过流过压保护器件选择、传导辐射电磁干扰消除、EMC测试环境等问题成为工程师在设计时的难点,这些问题该怎么解决呢?

一、电路保护从元器件选型开始

电路保护元器件通常包括过压保护器件和过流保护器件两种,工程师需要针对各种元器件的特点和不同的应用类型进行选择。电子产品中,印制电路板的密度不断提高,半导体元件和集成电路的工作电压不断降低,生产商就运用表面贴装技术、片式多层陶瓷技术、阵列技术等新技术开发小尺寸、满足小电压大电流电路保护需求的产品;可以预见,未来电子电力技术不断发展,国内外电路保护元器件生产商将继续大力研发新产品、新技术,为各个应用领域提供合适的、安全的电路保护元器件。

选择适当的电路保护器件是实现高效、可靠电路保护设计的关键,涉及到电路保护器件的选型,我们就必须要知道各电路保护器件的作用。在选择电路保护器件的时候我们要知道保护电路不应干扰受保护电路的正常行为,此外,还必须防止任何电压瞬态造成整个系统的重复性或非重复性的不稳定行为,进行多次模拟测试,从而实现电路防护方案的可靠性和实用性。

二、电路保护器件的选择技巧

面对ESD、过压、浪涌、过热等现象带来的巨大危害性,最新的电路保护器件除了需要关注伏安特性、保护级别等因素之外,还要考虑其他很多问题。比如电子设备越来越轻薄,为了符合尺寸的限制并在更小的占位面积中提供电路保护,保护器件制造商需要开发出尺寸更小的元器件,这就需要厂商不断提高元器件的能量密度,当电子设备接口速率不断提升,为保证信号完整性就必须考虑保护器件电容的大小,保护方案必须紧随接口发展的趋势,确保接口的可靠性,同时还得保证保护元器件的耐冲击次数、抗震、防潮等因素。

三、过流、过压保护器件的特性

保护器件虽然种类繁多,从功能上讲可以分为过流保护和过压保护。最重要的过流保护器件是熔断器,也叫保险丝。它一般串联在电路中,要求其电阻要小(功耗小),当电路正常工作时,它只相当于一根导线,能够长时间稳定的导通电路,由于电源或外部干扰而发生电流波动时,也应能承受一定范围的过载,只有当电路中出现较大的过载电流(故障或短路)时,熔断器才会动作,通过断开电流来保护电路的安全,以避免产品烧毁的危险。

在熔断器分断电路的过程中,由于电路电压的存在,在熔体断开的瞬间会发生电弧,高质量的熔断器应该尽量避免这种飞弧;在分断电路后,熔断器应能耐受加在两端的电路电压.熔断器受脉冲损伤会逐步降低承受脉冲的能力,选用时需要考虑必要的安全余量;这个安全余量是指熔断器的总熔断(动作)时间,它是预飞弧时间和飞弧时间之和。

所以在选择的时候需要留意它的熔断特性和额定电流这个基本条件;另外安装时要考虑熔断器周边的环境,熔断器只有达到本身的熔化热能值的时候才会熔断,如果是在环境较冷的状况下,它的熔断时间会变化,这是使用时必须留意的。

四、EMC测试要点

电磁兼容性(EMC)是指设备或系统在电磁环境中性能不降级的状态。EMC,一方面要求系统内没有严重的干扰源即设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值,另一方面要求设备或系统自身有较好的抗电磁干扰性即器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度,即电磁敏感性。

EMC包括EMI(电磁干扰)及EMS(电磁耐受性)两部份:

1、EMI电磁干扰,乃为机器本身在执行应有功能的过程中所产生不利于其它系统的电磁噪声。

2、EMS乃指机器在执行应有功能的过程中不受周围电磁环境影响的能力。

五、如何消除电磁干扰?

电磁干扰,是指电子设备自身工作过程中,产生的电磁波,对外发射,从而对设备其它部分或外部其它设备造成干扰。系统要发生电磁兼容性问题即电磁干扰,必须具备三个因素,就是电磁干扰源、耦合途径、敏感设备。所以,在解决电磁干扰问题时,要从这三个因素人手,对症下药,消除其中某一个因素,就能解决电磁兼容问题。常用的有效的方法有:接地技术、屏蔽技术、滤波技术。

1、接地技术

接地技术可以分为工作接地、防雷接地和保护接地。

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工作接地就是在低压交流电网中就是将三相电源中的中性点直接接地。

在通信局(站)中,通常有两种防雷接地:一种是为保护建筑物或天线不受雷击而专设的避雷针防雷接地装置,这是由建筑部门设计安装的,另一种是为了防止雷击过电压对通信设备或电源设备的破坏需安装避雷器而埋设的防雷接地装置。

保护接地就是将受电设备在正常情况下与带电部分绝缘的金属外壳部分与接地装置作良好的电气连接。

2、屏蔽技术

电路中的电磁屏蔽技术主要是在共同的电磁环境中进行生存,通过运用电磁干扰抑制技术防止在实际工作中收到其他因素的干扰,导致技术出现应用不合理现象。

屏蔽技术主要是运用完整的金属屏蔽体将带点导体包围起来,提高屏蔽体的感应能力,确保外侧能够出现与带电导体相同的电荷,如果外侧的电荷流入到大地,外侧也不会出现电漏,而金属屏蔽体导电性能越好,代表静电的屏蔽效果越好,屏蔽技术需要通过接地起到屏蔽作用。

3、滤波技术

滤波器是射频系统中必不可少的关键部件之一,主要是用来作频率选择,让需要的频率信号通过而反射不需要的干扰频率信号。

滤波技术主要分为信号滤波和EMI滤波:

信号滤波是已知输入和输出阻抗时,在衰减带外干扰的同时,保证通带内具有极低的插入损耗。

EMI滤波是在期望的工作频带宽的范围内,端接阻抗的变化范围会增大,其加载电流影响的插入损耗是由对外界干扰信号的抑制能力决定的。

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